光電測(cè)量技術(shù)演示文稿

光電測(cè)量技術(shù)演示文稿當(dāng)前1頁(yè)，總共36頁(yè)。優(yōu)選光電測(cè)量技術(shù)當(dāng)前2頁(yè)，總共36頁(yè)。

物體在光的照射下產(chǎn)生電子發(fā)射的現(xiàn)象稱(chēng)為光電發(fā)射效應(yīng)或外光電效應(yīng)。

E=h·fh普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J·S；f是光的頻率。光子的能量E與它的頻率成正比(愛(ài)因斯坦光量子理論)光電效應(yīng)分兩大類(lèi)型：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)10.2外光電效應(yīng)當(dāng)前3頁(yè)，總共36頁(yè)。物體表面受光照射，表面內(nèi)的電子與光子碰撞，光子把全部能量轉(zhuǎn)移給電子。如電子的能量超過(guò)逸出功A0時(shí)，電子就逸出物體表面產(chǎn)生光電發(fā)射。如果不考慮電子熱運(yùn)動(dòng)的能量，產(chǎn)生光電發(fā)射的條件是：光子能量h·f超過(guò)表面逸出功A0。mv2/2=hf-A0v-電子逸出時(shí)的速度；m-電子的質(zhì)量。愛(ài)因斯坦光電方程說(shuō)明光電發(fā)生服從以下定律：1）物體表面發(fā)射的電子數(shù)(光電流)與光強(qiáng)成正比；2）光電子的動(dòng)能隨光的頻率成正比的增加，而與光強(qiáng)無(wú)關(guān)；3）光電子逸出物體表面，h·f>A0。對(duì)于每種物體都存在一個(gè)極限頻率（紅限頻率f0）否則不會(huì)有光電子發(fā)射出來(lái)。當(dāng)前4頁(yè)，總共36頁(yè)。在真空的玻璃泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極：光電陰極和陽(yáng)極。(1)結(jié)構(gòu)和工作原理

(真空光電管)光電管光電陰極貼附在玻璃泡內(nèi)壁或涂在半圓筒形的金屬片上，當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線(xiàn)照射時(shí)便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽(yáng)極所吸引，這樣在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。

當(dāng)前5頁(yè)，總共36頁(yè)。

充氣光電管在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體，如氬或氖。光電子在趨向陽(yáng)極的途中撞擊惰性氣體的原子，使其電離，使陽(yáng)極電流急劇增加，提高了光電管的靈敏度。缺點(diǎn):靈敏度隨電壓顯著變化、穩(wěn)定性、頻率特性等比真空光電管差。

當(dāng)前6頁(yè)，總共36頁(yè)。光電倍增管

在入射光極為微弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的光電流很小，在這種情況下即使光電流能被放大，但信號(hào)和噪聲同時(shí)被放大了，為克服這個(gè)缺點(diǎn)，要采用光電倍增管。(1)光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理當(dāng)前7頁(yè)，總共36頁(yè)。由光電陰極、若干個(gè)倍增極和陽(yáng)極三部分組成。光電倍增極上涂有電子轟擊下能夠發(fā)射更多電子的材料。倍增極數(shù)目在4~14個(gè)不等。當(dāng)前8頁(yè)，總共36頁(yè)。光照

半導(dǎo)體

電子在物體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)光電導(dǎo)：入射光子的能量如果大于禁帶寬度，即hf≥Eg,電子受光子的激發(fā)由價(jià)帶越過(guò)禁帶躍遷到導(dǎo)帶，載流子數(shù)增多使其電阻下降。10.3內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)前9頁(yè)，總共36頁(yè)。

光電導(dǎo)效應(yīng)--光敏電阻(1)結(jié)構(gòu)和原理又稱(chēng)光導(dǎo)管。在玻璃底板上均勻地涂上薄薄的一層半導(dǎo)體，半導(dǎo)體的兩端裝上金屬電極，使電極與半導(dǎo)體層可靠地電接觸，然后，將它們壓入塑料封裝體內(nèi)。為了防止周?chē)橘|(zhì)的污染，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋一層漆膜，漆膜成分的選擇應(yīng)該使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率最大。

當(dāng)前10頁(yè)，總共36頁(yè)。

光敏電阻利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成，一般選用禁帶寬度較寬的半導(dǎo)體材料。

原理：光敏電阻在受到光的照射時(shí)，由于內(nèi)光電效應(yīng)使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，電阻RG值下降，流過(guò)負(fù)載電阻RL的電流及其兩端電壓也隨之變化。光線(xiàn)越強(qiáng)，電流越大。當(dāng)光照停止時(shí)，光電效應(yīng)消失，電阻恢復(fù)原值。當(dāng)前11頁(yè)，總共36頁(yè)。1:硫化鎘、2:硫化鉈、3:硫化鉛。光敏電阻的光電特性

在一定電壓作用下，光電流I與照射光通量Φ的關(guān)系稱(chēng)為光電特性。光敏電阻的光電特性具有非線(xiàn)性。光敏電阻的光譜特性當(dāng)前12頁(yè)，總共36頁(yè)。2光電池---光生伏特效應(yīng)

光電池基于阻擋層的光電效應(yīng)工作的。在光線(xiàn)照射下，直接將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢(shì)的光電元件。實(shí)質(zhì)上它就是電壓源。光電池的種類(lèi)很多，有硒光電池、氧化亞銅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。其中硅光電池和硒光電池用途廣泛。當(dāng)前13頁(yè)，總共36頁(yè)。

本課程介紹硅和硒兩種光電池.(1)結(jié)構(gòu)原理硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)（例如硼）形成PN結(jié)。

入射光照射在PN結(jié)上時(shí)，若光子能量hf大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，則在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，空穴移向P型區(qū)，電子移向N型區(qū)，使P型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負(fù)電，因而PN結(jié)產(chǎn)生電勢(shì)。當(dāng)前14頁(yè)，總共36頁(yè)。硒光電池是在鋁片上涂硒，再用濺射的工藝，在硒層上形成一層半透明的氧化硒。在正反兩面噴上低溶合金作為電極。在光線(xiàn)照射下，鎘材料帶負(fù)電，硒材料上帶正電，形成光電流或光電勢(shì)。(2)主要特性①光電池的光譜特性不同光電池的光譜峰值位置不同。如硅光電池在8000附近，硒光電池在5400附近。硒光電池的結(jié)構(gòu)0.2

0.40.60.81.01.210080

60

4020

0當(dāng)前15頁(yè)，總共36頁(yè)。

硅光電池的光譜范圍廣，即為4500~11000之間，硒光電池的光譜范圍為3400~7500。因此硒光電池適用于可見(jiàn)光，常用于照度計(jì)測(cè)定光的強(qiáng)度。②光電池的光照特性光電池在不同的光強(qiáng)照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線(xiàn)性關(guān)系。開(kāi)路電壓隨光強(qiáng)變化是非線(xiàn)性的，并且當(dāng)照度在2000lx時(shí)就趨于飽和了。因此把光電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來(lái)使用，不宜用作電壓源。當(dāng)前16頁(yè)，總共36頁(yè)。

光電池的短路電流：是反映外接負(fù)載電阻相對(duì)于光電池內(nèi)阻很小時(shí)的光電流。而光電池的內(nèi)阻是隨著照度增加而減小的，所以在不同照度下可用大小不同的負(fù)載電阻為近似“短路”條件。從實(shí)驗(yàn)中知道，負(fù)載電阻越小，光電流與照度之間的線(xiàn)性關(guān)系越好，且線(xiàn)性范圍越寬。

對(duì)于不同的負(fù)載電阻，可在不同的照度范圍內(nèi)，使光電流與光強(qiáng)保持線(xiàn)性關(guān)系，所以應(yīng)用光電池作測(cè)量元件時(shí)，所用負(fù)載電阻的大小，應(yīng)根據(jù)光強(qiáng)的具體情況而定。總之，負(fù)載電阻越小越好。當(dāng)前17頁(yè)，總共36頁(yè)。③光電池的頻率特性光電池在作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)，常用交變光照。光電池的頻率特性：反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系。硅光電池可以有很高的頻率響應(yīng)當(dāng)前18頁(yè)，總共36頁(yè)。

開(kāi)路電壓隨溫度升高而下降的速度較快;

短路電流隨溫度升高而緩慢增加。當(dāng)用光電池作測(cè)量元件時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮到溫度的漂移，采取相應(yīng)的措施來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。④光電池的溫度特性

當(dāng)前19頁(yè)，總共36頁(yè)。3光敏二極管光敏二極管又稱(chēng)光電二極管。管芯是一個(gè)具有光敏特性的PN結(jié)，它被封裝在管殼內(nèi)。發(fā)光二極管管芯的光敏面是通過(guò)擴(kuò)散工藝在N型單晶硅上形成的一層薄膜。當(dāng)前20頁(yè)，總共36頁(yè)。

光敏二極管在電路中處于反向偏置，在沒(méi)有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流(暗電流)很小。當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子及光生空穴，因此使PN結(jié)的反向電流增大。當(dāng)前21頁(yè)，總共36頁(yè)。4光敏三極管光敏三極管:PNP型和NPN型。當(dāng)集電極加上正電壓，基極開(kāi)路時(shí)，集電極處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線(xiàn)照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極和發(fā)射極間的電壓升高，便有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的β倍。當(dāng)前22頁(yè)，總共36頁(yè)。(2)光敏三極管的主要特性光敏三極管的光譜特性光敏三極管存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長(zhǎng)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降。

光敏三極管的伏安特性當(dāng)前23頁(yè)，總共36頁(yè)。光敏三極管的光照特性光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關(guān)系，它們之間呈近似線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大（幾千勒克斯）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線(xiàn)性轉(zhuǎn)換元件，也可作開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換元件。當(dāng)前24頁(yè)，總共36頁(yè)。光敏三極管的頻率特性光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。

當(dāng)前25頁(yè)，總共36頁(yè)。

光纖：光導(dǎo)纖維，70年代發(fā)展新興光電材料—光電子學(xué)領(lǐng)域光纖傳感技術(shù)：光通信，受外界環(huán)境因素影響外界因素光纖傳輸光波量外界因素：壓力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光波量：光強(qiáng)、相位、頻率、偏振態(tài)——可測(cè)量70多個(gè)物理量10.4光纖傳感器特點(diǎn)：靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、抗電磁干擾、耐腐蝕、絕緣性好、光路可彎曲、遙測(cè)——多學(xué)科性：纖維光學(xué)、光電技術(shù)、彈性力學(xué)、電磁學(xué)、電子技術(shù)、微機(jī)應(yīng)用光纖傳感器當(dāng)前26頁(yè)，總共36頁(yè)。

光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑通常為2~12μm，很細(xì)的纖芯半徑接近于光源波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，僅能維持一種模式傳播，一般相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器采用單模光纖；光強(qiáng)調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。

當(dāng)前27頁(yè)，總共36頁(yè)。1、光纖的結(jié)構(gòu)涂敷層：硅銅、丙烯酸鹽——增加機(jī)械強(qiáng)度塑料套管：保護(hù)、不同顏色——區(qū)分纖芯：、摻雜包層：、摻雜（）

——降低光折射率、100~200um多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)圓柱體ˉ2n當(dāng)前28頁(yè)，總共36頁(yè)。2、光纖波導(dǎo)原理臨界角全反射光折射與反射的snell定律當(dāng)前29頁(yè)，總共36頁(yè)。數(shù)值孔徑NA:描述集光的能力(反映纖芯接受光量的多少)NA意義：無(wú)論光源發(fā)射功率多大，只有入射光處于2θc的光角內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。NA是光纖的一個(gè)重要參數(shù)。一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于耦合效率的提高，但數(shù)值孔徑過(guò)大，會(huì)造成光信號(hào)畸變，所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值。一般光線(xiàn)所處環(huán)境為空氣，n0=1。光纖產(chǎn)品一般只給NA，石英光纖0.2—0.4。當(dāng)前30頁(yè)，總共36頁(yè)。3、光纖傳感器基本原理及類(lèi)型組成：光纖、光源、光探測(cè)器傳光型：非功能型、多模光纖（傳輸更多光量）傳感型：功能型、單模光纖（被測(cè)對(duì)象調(diào)制光纖特性）1）、傳光型光纖傳感器調(diào)制器光纖：傳輸光波、不連續(xù)（入射、出射光纖）、多模光纖調(diào)制器：敏感元件、被測(cè)量作用下使光路遮斷、光穿透率變化當(dāng)前31頁(yè)，總共36頁(yè)。光纖：“傳”—傳輸光波“感”—外界作用下光學(xué)特性變化光纖連續(xù)2）、傳感型光纖傳感器特點(diǎn)：（1）傳光性好、損耗小（2）頻帶寬、超高速測(cè)量（3）靈敏度、線(xiàn)性好（4）非接觸、非破壞性、遠(yuǎn)距測(cè)量（5）體積小、重量輕當(dāng)前32頁(yè)，總共36頁(yè)。幾種常用的光纖傳感器1光纖加速度傳感器

當(dāng)前33頁(yè)，總共36頁(yè)。

2光纖位移傳感器

光纖位移傳感器是利用光導(dǎo)纖維傳輸光信號(hào)的功能，根據(jù)探測(cè)到的反射光的強(qiáng)度來(lái)測(cè)量被測(cè)反射表面的距離。當(dāng)前34頁(yè)，總共36頁(yè)。光電轉(zhuǎn)換放大器A/D單片機(jī)顯示利用光導(dǎo)纖維傳輸光信號(hào)的功能，根據(jù)探測(cè)到的反射光的強(qiáng)度來(lái)測(cè)量被測(cè)反射表面的距離。當(dāng)前35頁(yè)，總共36頁(yè)。1.光纖探頭端部緊貼被測(cè)部件時(shí)，發(fā)射光纖中的光不能反射到接收光纖中去，因而就不能產(chǎn)生光電流信號(hào)；2.被測(cè)表面逐漸遠(yuǎn)離光纖探頭時(shí)，發(fā)射光纖照亮被測(cè)